Trimble Engineering & Construction Group, 5475 Kellenburger Road, Dayton, OH , USA

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1 Trimble VISION Ken Joyce Martin Koehler Michael Vogel Trimble Engineering and Construction Group Westminster, Colorado, USA Abril de 2012 Trimble Engineering & Construction Group, 5475 Kellenburger Road, Dayton, OH , USA 2012, Trimble Navigation Limited. Todos los derechos reservados. Trimble y el logotipo del globo terráqueo y el triángulo son marcas registradas de Trimble Navigation Limited, registradas en los Estados Unidos y otros países. 4D Control y Trimble Survey Controller son marcas comerciales de Trimble Navigation Limited. Todas las otras marcas registradas son propiedad de sus respectivos titulares.

2 Resumen La tecnología Trimble VISION integra cámaras digitales calibradas en estaciones totales Trimble S6 y S8, así como en la Estación Espacial Trimble VX. Estos instrumentos poseen la capacidad de tomar datos de levantamientos, transmitir video desde la perspectiva del instrumento y tomar imágenes fijas panorámicas. El software de campo Trimble Access superpone información de los levantamientos topográficos sobre el flujo de video que se transmite, lo que mejora la productividad del topógrafo en terreno cuando maneja el instrumento robóticamente. El software de oficina Trimble Business Center superpone datos de levantamientos topográficos sobre las imágenes fijas panorámicas que se hayan tomado, lo que permite al topógrafo documentar de manera eficiente las características que haya descrito. Trimble Business Center permite además hacer observaciones de fotogrametría y calcular coordenadas de puntos mediante imágenes de Trimble VISION. La fotogrametría de Trimble VISION es una herramienta topográfica que mide con precisión puntos que antes era demoroso, peligroso o imposible recolectar mediante otras técnicas. Introducción La cámara de un instrumento Trimble VISION capta millones de observaciones de levantamientos casi al instante. Este documento técnico explica cómo los píxeles del flujo de video y las imágenes fijas se convierten en observaciones de levantamientos a través de la integración de cámaras calibradas con estaciones totales ópticas. Tras ello, muestra la manera como los topógrafos pueden integrar imágenes de precisión con observaciones procedentes de receptores GNSS, estaciones totales y escáneres láser 3D para mejorar las operaciones de campo, medir características remotas por medio de fotogrametría y crear productos finales realistas. Cámara Trimble VISION El componente fundamental de la tecnología Trimble VISION es la cámara digital calibrada Trimble VISION. La cámara ha sido diseñada para aumentar al máximo la calidad al optimizar el campo de visión, la exposición, la profundidad de campo, la resolución y el tamaño de archivo de la imagen. Estos elementos de diseño juegan un papel esencial al aplicar la tecnología fotográfica a operaciones de levantamiento en el campo y la oficina. 2

3 Figura 1. Estación total con cámara Trimble VISION Tabla 1. Especificaciones de la cámara Trimble VISION Especificaciones técnicas Longitud focal Enfoque fijo Profundidad de campo 23 mm (equivalente a una longitud focal de 127 mm para un formato de imagen de 35 mm) 12 m 3 m - Tamaño de chip ½" (4:3) Resolución 2048 x 1536 = 3,1 megapíxeles Campo de visión 16 x 12 28,5 x 21,5 m a 100 m Zoom Velocidad de actualización de fotogramas Digital 4x 5 fps en modo USB Campo de visión El video que proporciona la cámara Trimble VISION siempre tiene un campo de visión más amplio que la vista del telescopio del instrumento. Esto facilita la identificación de los objetivos o características de los levantamientos y usar el video para apuntar la estación total a ellos. 3

4 Figura 2. Aumento al máximo de la calidad al optimizar el campo de visión Las siguientes imágenes comparan los campos de visión utilizando cuatro pasos de zoom de la cámara. La vista del telescopio se muestra con el círculo amarillo. Figura 3. Campos de visión utilizando cuatro pasos de zoom de la cámara (el círculo 4

5 amarillo muestra la vista del telescopio). El nivel creciente del zoom se usa para ajustar el objetivo de la estación total. Exposición Para asegurar que los objetos que se vean en el video y en las imágenes fijas se puedan identificar con claridad en una amplia variedad de condiciones de luz, la cámara Trimble VISION ajusta automáticamente la exposición para el objeto al que apunta el instrumento, como se muestra en la figura siguiente. Figura 4. El cuadro rojo muestra el área usada para la lectura de la exposición En el caso de las imágenes panorámicas, las exposiciones se pueden ajustar de manera automática para cada imagen o se pueden fijar al nivel óptimo para un objeto específico. La cámara Trimble VISION además proporciona muy buena sensibilidad a niveles bajos de luz. La cámara hace ajustes automáticos en situaciones de poca iluminación para mantener constante la calidad del video. Sin embargo, es posible que baje la velocidad de actualización del video, en especial si el instrumento se maneja robóticamente. Profundidad de campo Debido a que la profundidad de campo de la cámara Trimble VISION varía de los 3 m al infinito, casi siempre los objetos de interés en el video y las imágenes fijas quedan bien enfocados. La figura siguiente muestra la ventaja que da una gran profundidad de campo. 5

6 Figura 5. Profundidad de campo baja (arriba) y alta (abajo) Resolución Para asegurar una resolución adecuada para una clara visualización y hacer que los tamaños de los archivos de imágenes sean manejables, la cámara Trimble VISION incorpora un sensor con una resolución de 3,145 megapíxeles (2048 x 1536) y un tamaño de píxel de 28 arcosegundos (es decir, cada píxel en el sensor capta 28 arcosegundos del área que se esté fotografiando). Tamaño de archivo de imagen Para reducir el tamaño de los archivos de imagen y, con ello, el tiempo de transmisión y los requisitos de guardado, la cámara Trimble VISION guarda imágenes en formato JPEG. Para tomar imágenes fijas, los usuarios pueden seleccionar la resolución y las tasas de compresión JPEG deseadas, como se muestra en la tabla siguiente. 6

7 Tabla 2. Tamaños de imagen y compresión de archivo de las imágenes de la cámara Trimble VISION Tamaño de imagen Formato: Extra grande Píxeles: 2048 x1536 Grande 1024 x 768 Medio 512 x 384 Pequeño 256 x 192 Compresión de archivo Tipo: Reducción de la calidad: Muy alta Aprox. 10% Alta Aprox. 40% Normal Aprox. 60% Las imágenes tomadas en el tamaño extra grande y el modo de compresión Muy alta siempre serán las de mayor calidad, pero también requerirán más tiempo de transmisión y espacio de almacenamiento. Con esta configuración, una foto pesará cerca de 700 KB. Esta sección ha mostrado cómo la cámara Trimble VISION toma píxeles optimizados para la calidad y eficiencia. El siguiente paso es integrar la cámara a una estación total para relacionar con precisión los píxeles con el mundo real. Trimble VISION Cámara de Integración Esta sección describe cómo se combina el modelo geométrico de la cámara Trimble VISION con el de una estación total para crear un sistema calibrado único. La combinación de ambos sistemas permite hacer coincidir de manera precisa los datos del levantamiento con las imágenes de video y fijas. Geometría de estación total y cámara La figura siguiente muestra el modelo de geometría básico para una estación total. Donde el eje vertical es (V-V), el eje articulado es (T-T, normal en V-V) y el eje de observación es (S-S, normal en T-T). 7

8 Figura 6. Modelo geométrico básico para una estación total La figura siguiente muestra un modelo simplificado de la cámara Trimble VISION para la derivación de direcciones a partir de las coordenadas medidas en la imagen. Figura 7. Modelo simplificado de la cámara Como muestra este modelo, un punto (P) se proyecta al plano de la imagen a través del centro de proyección O, que es el punto angular de todas las direcciones. Los ángulos ξ y ζ se pueden calcular a partir de las coordenadas de imagen medidas y y x, y se pueden comparar con direcciones medidas con la estación total. La figura siguiente muestra un modelo combinado en que la cámara simplemente se coloca en la óptica existente de la estación total. 8

9 Figura 8. Modelo combinado de estación total y cámara Este modelo muestra que el plano de imagen de la cámara es vertical al eje de observación de la estación total. El eje Z del sistema de la cámara se encuentra en el eje de observación, y el centro de proyección está en el punto de intersección de los ejes de la estación total. Al combinarse con la óptica de la estación total, este conjunto tiene dos desventajas importantes: La cámara tiene el mismo limitado campo de visión que el telescopio, lo que no es eficiente para apuntar a un objetivo. El telescopio debe estar enfocado para tomar una foto, porque la cámara se ubica tras su lente de enfoque. Los instrumentos Trimble VISION usan un modelo más complejo en el que la cámara es independiente del sistema del telescopio, como se muestra en la figura siguiente. 9

10 Figura 9. Cámara independiente del sistema del telescopio Esta configuración proporciona a la cámara un campo de visión mucho mayor y una longitud focal más corta, lo que da como resultado una mejor profundidad de campo. Sin embargo, esta configuración de doble eje da origen a un nivel de excentricidad porque la cámara tiene una perspectiva diferente a la del telescopio. Si se deja sin corregir, esta excentricidad crearía una diferencia en las vistas del telescopio y el video. Para corregirlo, el sistema Trimble VISION soluciona la excentricidad en tiempo real indicando la distancia mediante el modo de seguimiento del medidor electrónico de distancias (MED). Calibración de la cámara El detector y la lente de la cámara Trimble VISION se calibran utilizando la orientación interior. La orientación exterior crea una completa definición de fotogrametría, ya que combina la cámara con los ejes de estación total y las mediciones de estación total. Los parámetros de la orientación interior son los siguientes: La constante de cámara ck (equivalente a aproximadamente 23 mm) El punto principal x 0, y 0. Este es el punto donde el eje óptico de la cámara cruza el conjunto de sensores. Distorsión Los parámetros de la orientación exterior son los siguientes: Ángulos de rotación: omega (ω), phi (φ) y kappa (κ) con respecto a los ejes de la cámara 10

11 Desajuste espacial: vector desde el origen de la estación total (el punto de intersección del eje de la estación total) al centro de proyección de la cámara Gracias a los sistemas de fotogrametría sabemos que es posible realizar la calibración midiendo un campo de puntos de control. Puesto que la cámara está integrada con una estación total, necesitamos solo dos puntos de control: el primero a una distancia de 3 a 4 m, y el segundo a una distancia de 10 a 12 m. Cada punto de control se mide con la estación total (ángulo horizontal y vertical) y la cámara (x e y ). El ángulo y las observaciones de píxeles proporcionan suficiente información para solucionar los parámetros de orientación desconocidos mediante un ajuste de mínimos cuadrados. Figura 10. Calibración realizada midiendo un campo de puntos de control Las orientaciones interior y exterior completan la integración de la cámara con la estación total. Ahora los píxeles se pueden traducir con precisión a ángulos horizontales y verticales como si se tomaran directamente de la estación total. La sección siguiente describe cómo el topógrafo puede aplicar las capacidades de fotogrametría en el campo. Aplicación de campo Tradicionalmente, los topógrafos se han visto obligados a mirar por el telescopio de una estación total para apuntar el instrumento. Este método ha sido costoso, complicado y potencialmente peligroso: Un topógrafo tiene que quedarse en el instrumento. El instrumento debe instalarse a una altura lo suficientemente baja como para que se pueda acceder a él. Al apuntar la estación total con el telescopio, puede que el operador del instrumento no esté alerta a los peligros inmediatos, como el tráfico vehicular. 11

12 Ahora el software de campo Trimble Access se integra con los instrumentos Trimble VISION para mejorar estos aspectos de las operaciones de campo y, además, controlar la toma de imágenes fijas. Figura 11. Software de campo Trimble Access Trimble Access muestra video en directo desde el instrumento Trimble VISION. El topógrafo puede usar el video para apuntar y manejarlo completamente con un colector de mano o una computadora tipo tableta. Esto permite que todo el equipo a cargo del levantamiento trabaje de manera más productiva y segura. Figura 12. Trimble Access siendo usado para medir de manera remota puntos en el campo El topógrafo puede usar el video para medir de manera remota puntos con Reflexión Directa (DR). La cámara calibrada y la precisa integración con la estación total permiten que Trimble Access transforme de manera instantánea y precisa los píxeles en la pantalla 12

13 de video a ángulos horizontales y verticales. El topógrafo puede apuntar el instrumento y medir puntos simplemente dando unos golpecitos con los dedos en la pantalla de video. La misma tecnología permite a Trimble Access superponer de manera precisa puntos de mira y datos de levantamientos en el flujo de video, de manera que el topógrafo pueda recoger con confianza puntos al tiempo que evita errores como las mediciones perdidas o duplicadas. Figura 13. Trimble Access con puntos de mira y datos de levantamiento superpuestos en el flujo de video El topógrafo también puede usar Trimble Access para tomar imágenes fijas con el fin de informar las condiciones de la obra, documentar la toma de datos e incluso medir características en la oficina. Mediante la opción "Capturar al guardar", el topógrafo de campo puede recolectar una imagen con cada punto que se mida. Las imágenes fijas se guardan como Archivos de soporte o Atributos para hacer posibles flujos de trabajo perfectos en la oficina. Además, puede capturar panoramas de múltiples imágenes con una superposición definida por el usuario. Por ejemplo, se podría tomar una panorámica que abarque por completo la fachada de un edificio. Figura 14. Uso de Trimble Access para tomar imágenes fijas 13

14 Las imágenes y los datos de campo de Trimble VISION se pueden transmitir a la oficina mediante Trimble AccessSync, o transferirse de manera manual. Una vez que estén disponibles los datos, un topógrafo en la oficina puede proseguir con el flujo de trabajo del levantamiento mediante la aplicación de escritorio de Trimble, Trimble Business Center. Aplicación de oficina Trimble Business Center (TBC) importa imágenes tomadas por instrumentos Trimble VISION y los muestra en "vistas de estación" en perspectiva 3D. Las imágenes importadas se integran con datos de GNSS, estaciones totales y otros levantamientos, permitiendo al topógrafo documentar los datos de campo y medir puntos utilizando herramientas de fotogrametría. Documentación Las vistas de estación de TBC recrean la obra de un proyecto tal como lo vio el topógrafo de campo. Los datos de levantamiento, como los puntos y observaciones, se superponen en las imágenes alineadas. El alto nivel de atención que se ha dado a la tecnología de la cámara y su integración prácticamente elimina las discrepancias entre las imágenes y los datos del levantamiento. Por tanto, el topógrafo puede usar con confianza esta herramienta para revisar el grado de exhaustividad y precisión del levantamiento. Por ejemplo, puede identificar áreas donde falte información o puntos que no se ajustan a una superficie debido a un error de campo. O bien, el topógrafo puede usar la vista de estación para demostrar que los datos requeridos se recogieron de manera precisa. Figura 15. Vista de plano y Vista de estación en Trimble Business Center 14

15 Para hacer una panorámica, la cámara de un instrumento Trimble VISION debe moverse horizontal y verticalmente alrededor del centro de mismo. Puesto que la cámara cambia de posición, cada imagen tiene una perspectiva diferente. Esta diferencia de perspectiva crea un "paralaje de datos", que impide que las imágenes que se estén viendo en TBC se alineen correctamente con los datos de levantamiento superpuestos. Para controlar esto, TBC modifica la perspectiva de cada vista de estación desde el centro del instrumento cuando se aleja el zoom, a la ubicación de la cámara para una sola imagen cuando el zoom se acerca. Además, el usuario puede controlar la distancia proyectada para cada panorámica a fin de "enfocar" la superposición de datos. Gracias a estas capacidades, los datos del levantamiento siempre se muestran de la manera más realista posible. Figura 16. Ejemplo de paralaje de datos: la imagen izquierda de un objetivo muestra la perspectiva de la cámara (con el zoom acercado), mientras que la imagen derecha muestra la perspectiva del instrumento (con el zoom alejado). Para mejorar la calidad de la documentación, TBC puede equilibrar las exposiciones y mezclar los bordes de imágenes adyacentes para dar la impresión de una sola y perfecta panorámica. Las panorámicas procesadas, junto con los datos del levantamiento, se pueden entregar como un solo archivo y ver mediante Street View de Google Earth. 15

16 Figura 17. Imágenes sin procesar (izquierda); imágenes equilibradas y combinadas (derecha) Fotogrametría Ahora los topógrafos pueden medir puntos en TBC con imágenes captadas por instrumentos Trimble VISION. La toma fotogramétrica de puntos es precisa a poca distancia, y el topógrafo puede usar esta herramienta para mejorar la eficiencia y la seguridad de la toma de datos. Por ejemplo, el topógrafo puede medir mediante fotogrametría las ubicaciones de líneas eléctricas muy difíciles de medir con otras técnicas de levantamiento, como Reflexión Directa (DR) o intersecciones de ángulos. Figura 18. Uso de fotogrametría para medir objetos difíciles de medir en el campo Debido a la cuidadosa y precisa integración del sistema Trimble VISION, el sistema para medir puntos fotogramétricos es sencillo. En cada una de dos o más estaciones de TBC el topógrafo encuentra un objeto de interés y usa un telescopio virtual para seleccionar el 16

17 píxel de imagen exacto en cada vista. TBC calcula automáticamente un punto 3D desde la intersección de las observaciones fotogramétricas. Tras ello, el topógrafo recibe indicaciones sobre la calidad de la medición, incluida la intensidad de figura (*ver nota abajo) para la intersección y los valores residuales entre el punto calculado y cada observación. El diagrama siguiente muestra el efecto de geometría al usarse dos observaciones para hacer una medición de fotogrametría. La calidad de la geometría de intersección se muestra para tres ejemplos típicos: 1. Mejor caso: ángulo de intersección de Larga distancia con respecto a la línea base 3. Gran excentricidad a la línea base Figure 19. Áreas de geometría fuerte y débil al usarse dos instalaciones de estación En términos generales, el topógrafo tiene el control de los factores que afectan la precisión de las mediciones de puntos fotogramétricos. Como con toda observación de levantamiento topográfico, la precisión disminuye a medida que aumenta la distancia. A corta distancia, las observaciones fotogramétricas individuales son más precisas porque cada píxel cubre un espacio más pequeño y se reducen los efectos de una mala geometría. 17

18 Los mejores resultados se pueden obtener midiendo puntos a corta distancia desde estaciones con buenas posiciones, orientaciones y geometría. Con suficiente práctica, los topógrafos pueden usar las imágenes procedentes de instrumentos Trimble VISION calibrados para medir de manera precisa y documentar completamente los puntos de los levantamientos. La potencia de este sistema queda en evidencia por la altísima eficiencia al medir puntos fotogramétricamente, en que unas cuantas imágenes tomadas en el campo con Trimble Access se pueden usar para medir muchos puntos en TBC. * Intensidad de figura es un sistema utilizado para medir la precisión de la geometría de las intersecciones fotogramétricas. Son óptimos los ángulos de intersección que se acercan a los 90 grados, correspondiendo a valores bajos de intensidad de figura. Los valores de intensidad de figura altos corresponden a ángulos de intersección menores de 30 grados u mayores que 120 grados. Una geometría fuerte es un elemento clave para lograr mediciones precisas, especialmente a medida que aumenta la distancia con respecto a las líneas base. Conclusión La toma de imágenes de precisión es una tecnología altamente prometedora dentro de la creciente cantidad de herramientas a disposición de los topógrafos. En la actualidad, el video y las imágenes fijas mejoran mucho la eficiencia y la seguridad de las operaciones de campo. Hoy los topógrafos de campo pueden manejar herramientas de nuevas maneras y mostrar a los miembros del proyecto las condiciones exactas existentes en la obra de un proyecto, junto con las ubicaciones precisas de los datos tomados. Y, más que nunca, las imágenes se pueden usar para entregar datos de manera increíblemente realista. Más aún, los últimos avances de Trimble Business Center permiten a los topógrafos medir puntos utilizando fotogrametría. La verdadera fortaleza de la fotogrametría se encuentra en los millones de píxeles que se toman casi al instante en el campo, y en que los píxeles de las imágenes de Trimble VISION equivalen a observaciones de ángulos horizontales y verticales. Ahora que esta tecnología está disponible para los topógrafos, es probable que se produzca un cambio en el modo como se llevan a cabo los levantamientos cuando es difícil hacer mediciones o el tiempo para tomar datos de campo es muy limitado. Por ejemplo, un equipo que haga levantamientos en el campo puede tomar fotos rápidamente desde una torre telefónica celular. Luego un especialista en la oficina puede medir las ubicaciones, dimensiones y alineaciones de las antenas. Como en el ámbito forense, las fotografías de una escena se pueden tomar muy rápidamente en el mismo lugar. Luego, el proceso de extraer información puede llevarse a cabo más adelante en una ubicación diferente. 18

19 Entre las actuales limitaciones del trabajo con imágenes se encuentran los grandes tamaños de píxeles, los procesos de extracción excesivamente manuales, la falta de espacio para guardar los datos y las bajas velocidades de procesamiento. Estas insuficiencias limitan el grado en que se puede usar imágenes en los levantamientos topográficos. Sin embargo, cada uno de estos problemas se superará con los actuales avances de la tecnología informática y el software. Los tamaños de píxel irán bajando a medida que aumente la resolución de las cámaras, lo que generará una mayor precisión. Las computadoras de campo y oficina contarán con procesadores más veloces, más memoria y más capacidad de almacenamiento, elevando así la eficiencia. Y las funciones de software como el procesamiento y el análisis de imágenes mejorarán la potencia de todo el flujo de trabajo. De igual importancia que los avances tecnológicos es una estricta dedicación a hacer de la fotogrametría una herramienta accesible para el topógrafo. En esto Trimble ha dado los primeros pasos, al integrar la fotogrametría con aplicaciones de levantamientos tradicionales. Los topógrafos pueden dominar esta herramienta con facilidad y usarla para medir el mundo de una manera completamente diferente. 19

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